Le savoir-faire de MC pour Stuttgart 21 - le tunnel de Filder

Le projet Stuttgart-Ulm, également connu sous le nom de Stuttgart 21 (S21 en abrégé), est l'un des plus grands projets d'infrastructure de l'histoire récente de la République fédérale d'Allemagne. À l'avenir, il reliera la région métropolitaine de Souabe au réseau à grande vitesse "Magistrale pour l'Europe" et constituera un point de jonction important des liaisons nord-sud et est-ouest en Europe centrale. Avec la percée du tunnel de Filder en septembre 2019, une phase importante de ce grand projet s'est achevée avec succès pour la Deutsche Bahn, mais aussi pour MC et ses spécialistes des tunnels.
Lorsque la Deutsche Bahn AG a célébré symboliquement le percement du tunnel de Filder le 9 septembre 2019 avec des personnalités politiques du land, du gouvernement fédéral et de l'UE ainsi que tous ceux qui ont participé à la construction après une période de cinq ans, l'équipe de spécialistes du tunnel de MC impliquée dans le projet avait également toutes les raisons de fêter. Après tout, MC a pu apporter le savoir-faire de son Field of Expertise Tunnelling et apporter sa contribution à la réussite de ce projet majeur.

 

Un mégaprojet allemand

Avec un volume d'environ huit milliards d'euros, Stuttgart 21, en tant que projet de transport et de développement urbain, bénéficiera à la réorganisation du nœud ferroviaire de Stuttgart dans un avenir proche. Plus de 100 kilomètres de nouvelles lignes ferroviaires rapides, trois nouvelles gares et un dispositif intelligent établiront à l'avenir de nouvelles normes pour le trafic ferroviaire national et européen. Mais l'urbanisme en profite aussi grandement : le projet prévoit de mettre à disposition, à des fins d'urbanisme, environ un kilomètre carré de voies ferrées actuelles ou anciennes en bordure du centre-ville de Stuttgart. Cela permettra d'augmenter la superficie du centre ville d'environ 40 %.

 

Le projet est construit par la Deutsche Bahn. Outre la Deutsche Bahn, la République fédérale d'Allemagne, le Land de Bade-Wurtemberg, la Verband Region Stuttgart, la capitale du Land Stuttgart, la Flughafen Stuttgart GmbH et l'Union européenne participent également au financement. La S21, considérée dans son ensemble, comprend essentiellement les sous-projets suivants : l'abaissement de la gare centrale de Stuttgart, l'extension de l'anneau ferroviaire de Stuttgart et le prolongement de la nouvelle ligne Stuttgart-Ulm, qui comprend plusieurs tunnels. MC a été largement impliqué dans ces deux dernières mesures en particulier.

 

Le savoir-faire de MC dans le domaine du tunnelling mécanisé est très demandé

Le creusement mécanique du tunnel a été effectué en appui segmentaire, le tunnelier étant utilisé comme un bouclier avec une excavation à pleine coupe et un appui à pression de terre en "multimode". Le tunnel de Filder n'était qu'un des nombreux grands projets auxquels MC a participé - en outre, la liste comprenait également le tunnel Albvorland et le tunnel Bossler sur l'Albaufstieg. Dans tous les projets de construction de tunnels mentionnés ci-dessus, diverses technologies et systèmes de produits MC ont été utilisés, notamment des produits spéciaux pour le conditionnement des sols, des superplastifiants pour la production de segments, des systèmes d'injection pour l'injection à l'intérieur du tunnel et, enfin et surtout, un tout nouveau type de remplissage d'espace annulaire sans ciment - une innovation que MC a pu développer en collaboration avec ARGE ATCOST 21.

 

En raison des conditions géologiques, le tunnel de Filder creusé mécaniquement est divisé en une section supérieure et une section inférieure et mène, avec une couverture de 20 à 220 mètres, à travers deux tubes de tunnel d'un diamètre de 10,87 mètres chacun. Avec une longueur totale de 9468 mètres, c'est le plus long tunnel du projet S21 et sera le plus long tunnel ferroviaire à double tube et le troisième plus long tunnel d'Allemagne après son achèvement.

 

Les défis géologiques

Dans la zone du tunnel inférieur de Filder, on trouve dans la roche un keuper de gypse non lixivié, qui consiste essentiellement en une anhydrite gonflante. On trouve des roches contenant de l'anhydrite dans certaines régions de la terre, notamment sur les pentes du Filder, le plateau au sud de Stuttgart. Lorsque la roche contenant de l'anhydrite entre en contact avec de l'eau, le volume augmente de plus de 60 %. Cela crée d'énormes pressions de gonflement qui soulèvent le tunnel et le terrain environnant et qui peuvent plus tard entraîner des dommages aux bâtiments et aux composants qui s'y trouvent. Pour le tunnel inférieur du Filder, le tunnelier a été creusé avec un bouclier ouvert, dans lequel la zone de contact principale avec le keuper de gypse sensible était l'enveloppe du bouclier, les outils de coupe et la masse de remplissage d'espace annulaire. L'utilisation de l'eau dans les zones de contact sensibles a été expressément interdite. L'enveloppe du bouclier et les outils de coupe étaient donc négligeables, mais pour la masse de remplissage d'espace annulaire, la Deutsche Bahn a exigé une solution individuelle pour prévenir le danger de gonflement et de soulèvement du sol à long terme.

Une solution unique au monde développée pour Stuttgart 21

L'ARGE ATCOST21, chargée de la construction du tunnel, a donc contacté MC, avec qui elle a développé un géopolymère spécial. Les géopolymères sont des liants inorganiques qui ne contiennent pas de ciment et dont la structure remonte à la réaction des aluminosilicates en milieu alcalin pour former des polymères inorganiques. La particularité est de combiner les avantages d'un mortier à joint annulaire mono-composant avec les avantages d'un mortier à joint annulaire bi-composant grâce à l'utilisation flexible d'un activateur. La base est un remplissage d'interstice annulaire modifié bi-composant qui contient un composant de base non-réactif de forme granulaire mélangé à du laitier de haut fourneau et des cendres volantes comme liant et qui ne commence une réaction de solidification seulement après l'ajout d'un activateur.

 

La masse d'interstice annulaire contient également des phosphates complexes qui influencent l'équilibre de la solution de l'anhydrite de telle sorte que le gonflement est empêché. Ce phénomène peut être décrit par la loi de l'action de masse et a été prouvé lors d'expériences et de tests d'aptitude. MC et PORR Bau GmbH ont entre-temps breveté cette technologie unique au monde. La nouvelle masse d'interstice annulaire est appelée MC-Montan Grout AA 03 et offre des propriétés optimales d'appui combinées à une résistance élevée aux sulfates, ce qui rend le tube du tunnel durable.

 

Prouvé en pratique

Compte tenu des exigences élevées et de l'attention médiatique omniprésente au S21, des instituts d'essai renommés ont été consultés en collaboration avec ATCOST 21 pour étudier la faisabilité de la solution proposée sur une base scientifique solide. L'Institut de recherche sur la construction de l'université RWTH d'Aix-la-Chapelle (ibac) avait été chargé des recherches minéralogiques et pétrographiques afin de déterminer si d'éventuelles réactions avec l'anhydrite pouvaient se produire dans l'espace annulaire. Le bureau d'études Brameshuber & Uebachs Ingenieure GmbH a ensuite préparé le rapport d'ingénierie environnementale. En collaboration avec la chaire de technologie des matériaux de construction de l'Université de la Ruhr à Bochum, les aspects technologiques des matériaux de la masse de l'interstice annulaire ont été étudiés afin de s'assurer qu'elle peut être utilisée dans les opérations de construction conformément à l'état de la technique. La sensibilité particulière du sujet est évidente du fait que les tests ont duré au total plus de deux ans et n'ont été menés à bien qu'après des essais à grande échelle dans un environnement pratique sur le chantier. La solution du système a ensuite été approuvée pour être utilisée avec le S21 par la Deutsche Bahn et les ingénieurs qui la conseillent. Les constructeurs de tunnels ont pu se convaincre des performances de la nouvelle masse de l'interstice annulaire lors des opérations de construction du tunnel en cours et ont très vite reconnu les énormes avantages du remplissage avec la masse bi-composant modifiée. Malgré un squelette de grain existant, l'activateur a pu être ajouté avant l'entrée de la bande de pilastre par une section de mélange supplémentaire et le remplissage de l'espace nécessaire a pu être assuré. L'utilisation d'un composant de base non-réactif présente l'avantage que le délai d'ouvrabilité est remarquablement long et offre ainsi la plus grande flexibilité possible dans l'application opérationnelle du remplissage de l'espace annulaire dans la construction de tunnels. La nouvelle masse de remplissage d'espace annulaire sans ciment a connu un tel succès dans le cadre du mégaprojet S21 qu'elle est depuis lors très demandée dans le monde entier.

 

Tunnelling efficace avec l'agent de conditionnement du sol de MC

Dans le tunnel supérieur de Filder, le tunnelier a largement pénétré dans le Stubensandstein, un type de grès, qui présente une forte proportion d'argile et de grès collants à haute résistance, qui à leur tour présentent un potentiel d'usure élevé. Une machine à bouclier fermé a été utilisée sur cette section du tunnel, dans laquelle le sol excavé a servi de support pour soutenir le front de taille pendant les travaux d'avancement. La méthode de creusement de tunnels est basée sur la technologie EPB (Earth Pressure Balance = Support de pression de la terre), qui est utilisée en particulier dans les formations géologiques difficiles et dans les zones de centre-ville. La série de produits MC-Montan Drive a été utilisée comme agent de conditionnement du sol pour tous les tunnels excavés mécaniquement de la nouvelle ligne Stuttgart-Ulm. Le générateur de mousse MC-Montan Device CT (Cell-Tube) a été utilisé pour la production efficace d'une mousse de haute qualité et durable, ce qui a permis un fonctionnement continu à faible entretien et une utilisation efficace.